磁力傳感器原理：一文讀懂磁傳感器（必須收藏）
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文 | 傳感器技術(shù)（WW_CGQJS）
我們偉大中華祖先的四大發(fā)明之一——指南針，可謂是無人不知啊，對于現(xiàn)代傳感器技術(shù)來講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了。
而在當(dāng)今的電子時代，磁傳感器在電機(jī)、電力電子技術(shù)、汽車工業(yè)、工業(yè)自動控制、機(jī)器人、辦公自動化、家用電器及各種安全系統(tǒng)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。
磁傳感器
磁傳感器是一種把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號，以這種方式來檢測相應(yīng)物理量的器件。用于感測速度、運動和方向，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、無線和消費電子、軍事、能源、醫(yī)療和數(shù)據(jù)處理等。
磁傳感器市場按照技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展，主要分為四大類：
霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器、
各向異性磁阻（AMR）傳感器、
巨磁阻（GMR）傳感器
隧道磁阻（TMR）傳感器
其中，霍爾效應(yīng)傳感器的歷史最悠久，獲得廣泛應(yīng)用。隨著持續(xù)的技術(shù)研發(fā)，各種磁傳感器誕生，并擁有更優(yōu)異的性能、更高的可靠性。
霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器
1879年，美國物理學(xué)家霍爾在研究金屬導(dǎo)電機(jī)制時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。但因金屬的霍爾效應(yīng)很弱而一直沒有實際應(yīng)用案例，直到發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)很多，利用這種現(xiàn)象才制作了霍爾元件。
在半導(dǎo)體薄膜兩端通以控制電流 I，并在薄膜的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，半導(dǎo)體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會產(chǎn)生電場，電場強(qiáng)度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，這個現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生的內(nèi)建電勢差，稱為霍爾電壓U。
霍爾電壓U與半導(dǎo)體薄膜厚度d，電場B和電流I的關(guān)系為U=k(IB/d)。這里k為霍爾系數(shù)，與半導(dǎo)體磁性材料有關(guān)。
霍爾效應(yīng)示意圖
霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)的原理制作，主要有霍爾線性傳感器、霍爾開關(guān)和磁力計三種。
1. 線性型霍爾傳感器
由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如下圖所示，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。
線性型霍爾傳感器工作原理
霍爾線性器件擁有很寬的磁場量測范圍，并能識別磁極。其應(yīng)用領(lǐng)域有電力機(jī)車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等，還可用于變頻器中用于監(jiān)控電量、光伏直流柜監(jiān)測光伏匯流箱實時輸出電流的作用、電動機(jī)保護(hù)等。 線性霍爾傳感器還可以用于測量位置和位移，霍爾傳感器可用于液位探測、水流探測等。
2. 開關(guān)型霍爾傳感器
由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。
開關(guān)型霍爾傳感器工作原理
霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高，工作溫度范圍寬，可達(dá)-55℃～150℃。開關(guān)型霍爾傳感經(jīng)過一次磁場強(qiáng)度的變化，則完成了一次開關(guān)動作，輸出數(shù)字信號，可以計算汽車或機(jī)器轉(zhuǎn)速、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、機(jī)車的自動門開關(guān)、無刷直流電動機(jī)、汽車點火系統(tǒng)、門禁和防盜報警器、自動販賣機(jī)、打印機(jī)等。
3. 磁力計
是利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電勢差來測算外界磁場的大小和極性。磁力計是采用CMOS工藝的平面器件。工藝相對一般IC更為簡單，一般采用P型襯底上N阱上形成傳感器件，通過金屬電極將傳感器與其他電路（如放大器、調(diào)節(jié)處理器等）相連。
但這樣設(shè)計的的霍爾傳感器只能感知垂直于管芯表面的的磁場變化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工藝上來講就是做原來的管芯上增加一層坡莫合金，可探測平行于管芯方向的磁場。由此，霍爾傳感器實現(xiàn)了從單軸到三軸磁力計的跨越式發(fā)展。
圖（a）增加磁通集中器的霍爾傳感器的頂視圖
圖（b）增加磁通集中器的霍爾傳感器的剖面圖
磁力計廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦和導(dǎo)航設(shè)備等移動終端，擁有巨大的市場前景。同時，磁力計可以與加速度計組成6軸電子羅盤，三種慣性傳感器（加上陀螺儀）組合在一起還能實現(xiàn)9軸組合傳感器，構(gòu)成更強(qiáng)大的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品。
各向異性磁阻（AMR）傳感器
某些金屬或半導(dǎo)體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。
1857年，Thomson發(fā)現(xiàn)坡莫合金的的各向異性磁阻效應(yīng)。對于有各向異性特性的強(qiáng)磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關(guān)的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。
當(dāng)外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成零度角時, 電阻是不會隨著外加磁場變化而發(fā)生改變的；但當(dāng)外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度的時候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會偏移，薄膜電阻降低, 我們對這種特性稱為各向異性磁電阻效應(yīng)（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR）。磁場作用效果下圖。
坡莫合金的AMR效應(yīng)
磁阻變化值與角度變化的關(guān)系
薄膜合金的電阻R就會因角度變化而變化，電阻與磁場特性是非線性的，且每一個電阻并不與唯一的外加磁場值成對應(yīng)關(guān)系。從上圖中，我們可以看到，當(dāng)電流方向與磁化方向平行時，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時，一般磁阻工作于圖中線性區(qū)附近，這樣可以實現(xiàn)輸出的線性特性。
AMR磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經(jīng)電阻。當(dāng)施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉(zhuǎn)動，這兩個電阻的阻值會增加；而另外兩個相對放置的電阻的磁化方向會朝與電流相反的方向轉(zhuǎn)動，該兩個電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場值。
AMR磁阻傳感器等效電路
各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的優(yōu)勢有以下幾點：
1. 各向異性磁阻（AMR）技術(shù)最優(yōu)良性能的磁場范圍是以地球磁場為中心，對于以地球磁場作為基本操作空間的傳感器應(yīng)用來說，具有廣大的運作空間，無需像霍耳元件那樣增加聚磁等輔助手段。
2.各向異性磁阻（AMR）技術(shù)是唯一被驗證，可以達(dá)到在地球磁場中測量方向精確度為一度的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。其他可達(dá)到同樣精度技術(shù)都是無法與半導(dǎo)體集成的工藝。因此，AMR可與CMOS或MEMS集成在同一硅片上并提供足夠的精確度。
3.AMR技術(shù)只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的制造設(shè)備，具有成本優(yōu)勢。
4.AMR技術(shù)具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應(yīng)用中尚無局限性。
AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場范圍內(nèi)的弱磁場測量，制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，用來檢測一些鐵磁性物體如飛機(jī)、火車、汽車。其它應(yīng)用包括各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計算機(jī)中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機(jī)、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實景中的頭部軌跡跟蹤。
巨磁阻（GMR）傳感器
與霍爾（Hall）傳感器和各向異性磁阻（AMR）傳感器相比，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）傳感器要年輕的多！這是因為GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)比霍爾效應(yīng)和AMR效應(yīng)晚了100多年。
1988年，德國科學(xué)家格林貝格爾發(fā)現(xiàn)了一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。同時，法國科學(xué)家費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。費爾和格林貝格爾也因發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎。
一般的磁鐵金屬，在加磁場和不加磁場下電阻率的變化為1%~3%，但鐵磁金屬/非磁性金屬/鐵磁金屬構(gòu)成的多層膜，在室溫下可以達(dá)到25%，低溫下更加明顯，這也是巨磁阻效應(yīng)的命名緣由。
GMR和AMR在外加磁場下電阻率變化示意圖
“巨”（giant）來描述此類磁電阻效應(yīng)，并非僅來自表觀特性，還由于其形成機(jī)理不同。常規(guī)磁電阻源于磁場對電子運動的直接作用，呈各向異性磁阻，即電阻與磁化強(qiáng)度和電流的相對取向有關(guān)。相反，GMR磁阻呈各向同性，與磁化強(qiáng)度和電流的相對取向基本無關(guān)。
巨磁阻效應(yīng)僅依賴于相鄰磁層的磁矩的相對取向，外磁場的作業(yè)只是為了改變相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向。除此以外，GMR效應(yīng)更重要的意義是為進(jìn)一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應(yīng)（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋電子學(xué)（Spintronics）以及新的傳感器技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
GMR效應(yīng)的首次商業(yè)化應(yīng)用是1997年，由IBM公司投放市場的硬盤數(shù)據(jù)讀取探頭。到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
GMR傳感器的材料結(jié)構(gòu)
具有GMR效應(yīng)的材料主要有多層膜、顆粒膜、納米顆粒合金薄膜、磁性隧道結(jié)合氧化物、超巨磁電阻薄膜等五種材料。其中自旋閥型多層膜的結(jié)構(gòu)在當(dāng)前的GMR磁阻傳感器中應(yīng)用比較廣泛。
自旋閥主要有自由層（磁性材料FM），隔離層（非磁性材料NM），釘扎層（磁性材料FM）和反鐵磁層（AF）四層結(jié)構(gòu)。
自旋閥GMR磁阻傳感器基本結(jié)構(gòu)
GMR磁阻傳感器由四個巨磁電阻構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。當(dāng)相鄰磁性層磁矩平行分布，兩個FM/NM界面呈現(xiàn)不同的阻態(tài)，一個界面為高阻態(tài)，一個界面為低阻態(tài)，自旋的傳導(dǎo)電子可以在晶體內(nèi)自由移動，整體上器件呈現(xiàn)低阻態(tài)；而當(dāng)相鄰磁性層磁矩反平行分布，兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子都在穿過磁矩取向與其自旋方向相同的一個磁層后，遇到另一個磁矩取向與其自旋方向相反的磁層，并在那里受到強(qiáng)烈的散射作用，沒有哪種自旋狀態(tài)的電子可以穿越FM/NM界面，器件呈現(xiàn)高阻態(tài)。
平行磁場和反平行磁場作用下的等效電路圖
GMR磁阻傳感器商業(yè)化時間晚于霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器，制造工藝相對復(fù)雜，生產(chǎn)成本也較高。但其具有靈敏度高、能探測到弱磁場且信號好，溫度對器件性能影響小等優(yōu)點，因此市場占有率呈穩(wěn)定狀態(tài)。GMR磁阻傳感器在消費電子、工業(yè)、國防軍事及醫(yī)療生物方面均有所涉及。
隧道磁阻（TMR）傳感器
早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(jié)（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中觀察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效應(yīng)。但是，這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時并沒有引起人們的重視。在此后的十幾年里，有關(guān)TMR效應(yīng)的研究進(jìn)展十分緩慢。在GMR效應(yīng)的深入研究下，同為磁電子學(xué)的TMR效應(yīng)才開始得到重視。2000年，MgO作為隧道絕緣層的發(fā)現(xiàn)為TMR磁阻傳感器的發(fā)展契機(jī)。
2001年，Butler和Mathon各自做出理論預(yù)測：以鐵為鐵磁體和MgO作為絕緣體，隧道磁電阻率變化可以達(dá)到百分之幾千。同年，Bowen等首次用實驗證明了磁性隧道結(jié)（Fe/MgO/FeCo）的TMR效應(yīng)。2008年，日本東北大學(xué)的S. Ikeda, H. Ohno團(tuán)隊實驗發(fā)現(xiàn)磁性隧道結(jié)CoFeB/MgO/CoFeB的電阻率變化在室溫下達(dá)到604%，在4.2K溫度下將超過1100%。TMR效應(yīng)具有如此大的電阻率變化，因此業(yè)界越來越重視TMR效應(yīng)的研究和商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)。
TMR元件在近年才開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)。
TMR磁阻傳感器的材料結(jié)構(gòu)及原理
從經(jīng)典物理學(xué)觀點看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結(jié)構(gòu)根本無法實現(xiàn)電子在磁層中的穿通，而量子力學(xué)卻可以完美解釋這一現(xiàn)象。當(dāng)兩層鐵磁層的磁化方向互相平行，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大，此時器件為低阻狀態(tài)；
當(dāng)兩層的磁鐵層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，而少數(shù)自旋子帶的電子也進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，此時隧穿電流較小，器件為高阻狀態(tài)。
可以看出，隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對取向，當(dāng)磁化方向發(fā)生變化時，隧穿電阻發(fā)生變化，因此稱為隧道磁電阻效應(yīng)。
TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型
TMR元件在近年才開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)。
下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數(shù)對比，可以更清楚直觀的看到各種技術(shù)的優(yōu)劣。
霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數(shù)對比
作為GMR元件的下一代技術(shù)，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被廣泛應(yīng)用于硬盤磁頭領(lǐng)域。相信TMR磁傳感技術(shù)將在工業(yè)、生物傳感、磁性隨機(jī)存儲（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領(lǐng)域有極大的發(fā)展與貢獻(xiàn)。
磁傳感器的發(fā)展,在本世紀(jì)70～80 年代形成高潮。90 年代是已發(fā)展起來的這些磁傳感器的成熟和完善的時期。
磁傳感器的應(yīng)用十分廣泛，已在國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，成為現(xiàn)代傳感器產(chǎn)業(yè)的一個主要分支。在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和改造、資源探查及綜合利用、環(huán)境保護(hù)、生物工程、交通智能化管制等各個方面，它們發(fā)揮著愈來愈重要的作用。
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磁力傳感器原理：淺析磁力傳感器工作原理
電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具，能實時提供移動物體的航向和姿態(tài)。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和手機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展，集成了越來越多傳感器的智能手機(jī)變得功能強(qiáng)大，很多手機(jī)上都實現(xiàn)了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應(yīng)用（如Android的Skymap）在各個軟件平臺上也流行起來。
要實現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。隨著微機(jī)械工藝的成熟，意法半導(dǎo)體推出將三軸磁力計和三軸加速計集成在一個封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時間內(nèi)設(shè)計出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術(shù)參數(shù)和電子羅盤的實現(xiàn)方法。
1. 地磁場和航向角的背景知識
如圖1所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處磁場和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁場和?dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強(qiáng)度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。
磁力計的基本工作原理
圖1 地磁場分布圖
地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至?。如果保持電子羅盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校敲戳_盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應(yīng)起來，如圖2所示。
磁力計的基本工作原理
圖2 地磁場矢量分解示意圖
實際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數(shù)據(jù)就可以用式1計算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時候，航向角在0？- 360？之間變化。
2．ST集成磁力計和加速計的傳感器模塊LSM303DLH
2.1 磁力計工作原理
在LSM303DLH中磁力計采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強(qiáng)弱變化會導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化。
在制造過程中，將一個強(qiáng)磁場加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導(dǎo)線呈45o角傾斜排列，電流從這些導(dǎo)線上流過，如圖4所示。由初始的強(qiáng)磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45o的夾角。
磁力計的基本工作原理
圖3 AMR材料示意圖
磁力計的基本工作原理
圖4 45o角排列的導(dǎo)線
當(dāng)有外界磁場Ha時，AMR上主磁域方向就會發(fā)生變化而不再是初始的方向了，那么磁場方向和電流的夾角θ也會發(fā)生變化，如圖5所示。對于AMR材料來說，θ角的變化會引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關(guān)系，如圖6所示。
ST利用惠斯通電橋檢測AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態(tài)相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當(dāng)檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時電橋的輸出為一個微小的電壓?V。
磁力計的基本工作原理
圖7 惠斯通電橋
當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場的作用下電阻變化為?R時，電橋輸出？V正比于？R。這就是磁力計的工作原理。
2.2 置位/復(fù)位（Set/Reset）電路
由于受到外界環(huán)境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會永久保持不變。LSM303DLH內(nèi)置有置位/復(fù)位電路，通過內(nèi)部的金屬線圈周期性的產(chǎn)生電流脈沖，恢復(fù)初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈沖和復(fù)位脈沖產(chǎn)生的效果是一樣的，只是方向不同而已。
磁力計的基本工作原理
圖8 LSM303DLH置位/復(fù)位電路
置位/復(fù)位電路給LSM303DLH帶來很多優(yōu)點：
1） 即使遇到外界強(qiáng)磁場的干擾，在干擾消失后LSM303DLH也能恢復(fù)正常工作而不需要用戶再次進(jìn)行校正。
2） 即使長時間工作也能保持初始磁化方向?qū)崿F(xiàn)精確測量，不會因為芯片溫度變化或內(nèi)部噪音增大而影響測量精度。
3） 消除由于溫漂引起的電橋偏差。
2.3 LSM303DLH的性能參數(shù)
LSM303DLH集成三軸磁力計和三軸加速計，采用數(shù)字接口。磁力計的測量范圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。并且在20 Gauss以內(nèi)的磁場環(huán)境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達(dá)到8 mGauss并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對磁場強(qiáng)度的精確測量。和采用霍爾效應(yīng)原理的磁力計相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補償。
LSM303DLH具有自動檢測功能。當(dāng)控制寄存器A被置位時，芯片內(nèi)部的自測電路會產(chǎn)生一個約為地磁場大小的激勵信號并輸出。用戶可以通過輸出數(shù)據(jù)來判斷芯片是否正常工作。
作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計。加速計同樣采用12位ADC，可以達(dá)到1mg的測量精度。加速計可運行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時，加速計還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。
3. ST電子羅盤方案介紹
一個傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個三軸的磁力計以測量磁場數(shù)據(jù)，一個三軸加速計以測量羅盤傾角，通過信號條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過磁場數(shù)據(jù)計算出方位角，通過重力數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜補償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響，如圖9所示。
磁力計的基本工作原理
圖9 電子羅盤結(jié)構(gòu)示意圖
LSM303DLH將上述的加速計、磁力計、A/D轉(zhuǎn)化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測和輸出，降低了客戶的設(shè)計難度，減小了PCB板的占用面積，降低了器件成本。
磁力計的基本工作原理
圖10 LSM303DLH典型應(yīng)用電路圖
對于便攜式設(shè)備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機(jī)的時間。LSM303DLH可以分別對磁力計和加速計的供電模式進(jìn)行控制，使其進(jìn)入睡眠或低功耗模式。并且用戶可自行調(diào)整磁力計和加速計的數(shù)據(jù)更新頻率，以調(diào)整功耗水平。在磁力計數(shù)據(jù)更新頻率為7.5Hz、加速計數(shù)據(jù)更新頻率為50Hz時，消耗電流典型值為0.83mA。在待機(jī)模式時，消耗電流小于3uA。
4. 鐵磁場干擾及校準(zhǔn)
電子指南針主要是通過感知地球磁場的存在來計算磁北極的方向。然而由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個普通的手機(jī)喇叭當(dāng)相距2厘米時仍會有大約4高斯的磁場，一個手機(jī)馬達(dá)在相距2厘米時會有大約6高斯的磁場，這一特點使得針對電子設(shè)備表面地球磁場的測量很容易受到電子設(shè)備本身的干擾。
磁場干擾是指由于具有磁性物質(zhì)或者可以影響局部磁場強(qiáng)度的物質(zhì)存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發(fā)生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標(biāo)系中，綠色的圓表示地球磁場矢量繞z軸圓周轉(zhuǎn)動過程中在XY平面內(nèi)的投影軌跡，再沒有外界任何磁場干擾的情況下，此軌跡將會是一個標(biāo)準(zhǔn)的以O(shè)（0，0）為中心的圓。當(dāng)存在外界磁場干擾的情況時，測量得到的磁場強(qiáng)度矢量α將為該點地球磁場β與干擾磁場γ的矢量和。記作：
磁力計的基本工作原理
磁力計的基本工作原理
圖11 磁傳感器XY坐標(biāo)以及磁力線投影軌跡
一般可以認(rèn)為，干擾磁場γ在該點可以視為一個恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場的干擾，如擺放在電路板上的馬達(dá)和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻， LCD背板以及外殼等等。同樣根據(jù)安培定律有電流通過的導(dǎo)線也會產(chǎn)生磁場，如圖12。
磁力計的基本工作原理
圖12 電流對磁場產(chǎn)生的影響
為了校準(zhǔn)這些來自電路板的磁場干擾，主要的工作就是通過計算將γ求出。
4.1 平面校準(zhǔn)方法
針對XY軸的校準(zhǔn)，將配備有磁傳感器的設(shè)備在XY平面內(nèi)自轉(zhuǎn)，如圖11，等價于將地球磁場矢量繞著過點O（γx，γy）垂直于XY平面的法線旋轉(zhuǎn)，而紅色的圓為磁場矢量在旋轉(zhuǎn)過程中在XY平面內(nèi)投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為（（Xmax + Xmin）/2， （Ymax + Ymin）/2）。 同樣將設(shè)備在XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)可以得到地球磁場在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場干擾矢量γ（γx， γy， γz）。
4.2 立體8字校準(zhǔn)方法
一般情況下，當(dāng)帶有傳感器的設(shè)備在空中各個方向旋轉(zhuǎn)時，測量值組成的空間幾何結(jié)構(gòu)實際上是一個圓球，所有的采樣點都落在這個球的表面上，如圖13所示，這一點同兩維平面內(nèi)投影得到的圓類似。
磁力計的基本工作原理
圖13 地球磁場空間旋轉(zhuǎn)后在傳感器空間坐標(biāo)內(nèi)得到球體
這種情況下，可以通過足夠的樣本點求出圓心O（γx， γy， γz）， 即固定磁場干擾矢量的大小及方向。公式如下：
磁力計的基本工作原理
8字校準(zhǔn)法要求用戶使用需要校準(zhǔn)的設(shè)備在空中做8字晃動，原則上盡量多的讓設(shè)備法線方向指向空間的所有8個象限，如圖14所示。
磁力計的基本工作原理
圖14 設(shè)備的空中8字校準(zhǔn)示意圖
4.2 十面校準(zhǔn)方法
同樣，通過以下10面校準(zhǔn)方法，也可以達(dá)到校準(zhǔn)的目的。
磁力計的基本工作原理
如圖16所示，經(jīng)過10面校準(zhǔn)方法之后，同樣可以采樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導(dǎo)出球心的位置，即固定磁場干擾矢量的大小及方向。
磁力計的基本工作原理
5．傾斜補償及航偏角計算
經(jīng)過校準(zhǔn)后電子指南針在水平面上已經(jīng)可以正常使用了。但是更多的時候手機(jī)并不是保持水平的，通常它和水平面都有一個夾角。這個夾角會影響航向角的精度，需要通過加速度傳感器進(jìn)行傾斜補償。
對于一個物體在空中的姿態(tài)，導(dǎo)航系統(tǒng)里早已有定義，如圖17所示，Android中也采用了這個定義。Pitch（Φ）定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向；Roll（θ）定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向。由Pitch角引起的航向角的誤差如圖18所示?？梢钥闯?，在x軸方向10度的傾斜角就可以引起航向角最大7-8度的誤差。
磁力計的基本工作原理磁力計的基本工作原理
圖17 Pitch角和Roll角定義 圖18 Pitch角引起的航向角誤差
手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)如圖19所示，通過3軸加速度傳感器檢測出三個軸上重力加速度的分量，再通過式2可以計算出Pitch和Roll。
磁力計的基本工作原理
圖19 手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)
磁力計的基本工作原理
式3可以將磁力計測得的三軸數(shù)據(jù)（XM，YM ，ZM）通過Pitch和Roll轉(zhuǎn)化為式1中計算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1計算出航向角。
磁力傳感器原理：磁力計的基本工作原理(ST集成傳感器方案實現(xiàn)電子羅盤功能)
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文章目錄
1. 地磁場和航向角的背景知識2．ST集成磁力計和加速計的傳感器模塊LSM303DLH2.1 磁力計工作原理2.2 置位/復(fù)位(Set/Reset)電路
3. ST電子羅盤方案介紹4. 鐵磁場干擾及校準(zhǔn)4.1 平面校準(zhǔn)方法4.2 立體8字校準(zhǔn)方法
5．傾斜補償及航偏角計算6．Android平臺指南針的實現(xiàn)
電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具，能實時提供移動物體的航向和姿態(tài)。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和手機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展，集成了越來越多傳感器的智能手機(jī)變得功能強(qiáng)大，很多手機(jī)上都實現(xiàn)了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應(yīng)用（如Android的Skymap）在各個軟件平臺上也流行起來。
要實現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。隨著微機(jī)械工藝的成熟，意法半導(dǎo)體推出將三軸磁力計和三軸加速計集成在一個封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時間內(nèi)設(shè)計出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術(shù)參數(shù)和電子羅盤的實現(xiàn)方法。
1. 地磁場和航向角的背景知識
如圖1所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處磁場和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁場和?dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強(qiáng)度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。
圖1 地磁場分布圖
地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，那么羅盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應(yīng)起來，如圖2所示。
圖2 地磁場矢量分解示意圖
實際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數(shù)據(jù)就可以用式1計算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時候，航向角在0?- 360?之間變化。
2．ST集成磁力計和加速計的傳感器模塊LSM303DLH
2.1 磁力計工作原理
在LSM303DLH中磁力計采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強(qiáng)弱變化會導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化。
在制造過程中，將一個強(qiáng)磁場加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導(dǎo)線呈45o角傾斜排列，電流從這些導(dǎo)線上流過，如圖4所示。由初始的強(qiáng)磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45o的夾角。
圖3 AMR材料示意圖
圖4 45o角排列的導(dǎo)線
當(dāng)有外界磁場Ha時，AMR上主磁域方向就會發(fā)生變化而不再是初始的方向了，那么磁場方向和電流的夾角θ也會發(fā)生變化，如圖5所示。對于AMR材料來說，θ角的變化會引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關(guān)系，如圖6所示。
圖5 磁場方向和電流方向的夾角
圖6 θ-R特性曲線
ST利用惠斯通電橋檢測AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態(tài)相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當(dāng)檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時電橋的輸出為一個微小的電壓?V。
圖7 惠斯通電橋
當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場的作用下電阻變化為?R時，電橋輸出?V正比于?R。這就是磁力計的工作原理。
2.2 置位/復(fù)位(Set/Reset)電路
由于受到外界環(huán)境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會永久保持不變。LSM303DLH內(nèi)置有置位/復(fù)位電路，通過內(nèi)部的金屬線圈周期性的產(chǎn)生電流脈沖，恢復(fù)初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈沖和復(fù)位脈沖產(chǎn)生的效果是一樣的，只是方向不同而已。
圖8 LSM303DLH置位/復(fù)位電路
置位/復(fù)位電路給LSM303DLH帶來很多優(yōu)點：
1） 即使遇到外界強(qiáng)磁場的干擾，在干擾消失后LSM303DLH也能恢復(fù)正常工作而不需要用戶再次進(jìn)行校正。
2） 即使長時間工作也能保持初始磁化方向?qū)崿F(xiàn)精確測量，不會因為芯片溫度變化或內(nèi)部噪音增大而影響測量精度。
3） 消除由于溫漂引起的電橋偏差。
2.3 LSM303DLH的性能參數(shù)
LSM303DLH集成三軸磁力計和三軸加速計，采用數(shù)字接口。磁力計的測量范圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。并且在20 Gauss以內(nèi)的磁場環(huán)境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達(dá)到8 mGauss并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對磁場強(qiáng)度的精確測量。和采用霍爾效應(yīng)原理的磁力計相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補償。
LSM303DLH具有自動檢測功能。當(dāng)控制寄存器A被置位時，芯片內(nèi)部的自測電路會產(chǎn)生一個約為地磁場大小的激勵信號并輸出。用戶可以通過輸出數(shù)據(jù)來判斷芯片是否正常工作。
作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計。加速計同樣采用12位ADC，可以達(dá)到1mg的測量精度。加速計可運行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時，加速計還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。
3. ST電子羅盤方案介紹
一個傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個三軸的磁力計以測量磁場數(shù)據(jù)，一個三軸加速計以測量羅盤傾角，通過信號條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過磁場數(shù)據(jù)計算出方位角，通過重力數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜補償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響，如圖9所示。
圖9 電子羅盤結(jié)構(gòu)示意圖
LSM303DLH將上述的加速計、磁力計、A/D轉(zhuǎn)化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測和輸出，降低了客戶的設(shè)計難度，減小了PCB板的占用面積，降低了器件成本。
LSM303DLH的典型應(yīng)用如圖10所示。它需要的周邊器件很少，連接也很簡單，磁力計和加速計各自有一條I2C總線和處理器通信。如果客戶的I/O接口電平為1.8V，Vdd_dig_M、Vdd_IO_A和Vdd_I2C_Bus均可接1.8V供電，Vdd使用2.5V以上供電即可；如果客戶接口電平為2.6V，除了Vdd_dig_M要求1.8V以外，其他皆可以用2.6V。在上文中提到，LSM303DLH需要置位/復(fù)位電路以維持AMR的主磁域。C1和C2為置位/復(fù)位電路的外部匹配電容，由于對置位脈沖和復(fù)位脈沖有一定的要求，建議用戶不要隨意修改C1和C2的大小。
圖10 LSM303DLH典型應(yīng)用電路圖
對于便攜式設(shè)備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機(jī)的時間。LSM303DLH可以分別對磁力計和加速計的供電模式進(jìn)行控制，使其進(jìn)入睡眠或低功耗模式。并且用戶可自行調(diào)整磁力計和加速計的數(shù)據(jù)更新頻率，以調(diào)整功耗水平。在磁力計數(shù)據(jù)更新頻率為7.5Hz、加速計數(shù)據(jù)更新頻率為50Hz時，消耗電流典型值為0.83mA。在待機(jī)模式時，消耗電流小于3uA。
4. 鐵磁場干擾及校準(zhǔn)
電子指南針主要是通過感知地球磁場的存在來計算磁北極的方向。然而由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個普通的手機(jī)喇叭當(dāng)相距2厘米時仍會有大約4高斯的磁場，一個手機(jī)馬達(dá)在相距2厘米時會有大約6高斯的磁場，這一特點使得針對電子設(shè)備表面地球磁場的測量很容易受到電子設(shè)備本身的干擾。
磁場干擾是指由于具有磁性物質(zhì)或者可以影響局部磁場強(qiáng)度的物質(zhì)存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發(fā)生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標(biāo)系中，綠色的圓表示地球磁場矢量繞z軸圓周轉(zhuǎn)動過程中在XY平面內(nèi)的投影軌跡，再沒有外界任何磁場干擾的情況下，此軌跡將會是一個標(biāo)準(zhǔn)的以O(shè)(0,0)為中心的圓。當(dāng)存在外界磁場干擾的情況時，測量得到的磁場強(qiáng)度矢量α將為該點地球磁場β與干擾磁場γ的矢量和。記作：
圖11 磁傳感器XY坐標(biāo)以及磁力線投影軌跡
一般可以認(rèn)為，干擾磁場γ在該點可以視為一個恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場的干擾，如擺放在電路板上的馬達(dá)和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻， LCD背板以及外殼等等。同樣根據(jù)安培定律有電流通過的導(dǎo)線也會產(chǎn)生磁場，如圖12。
圖12 電流對磁場產(chǎn)生的影響
為了校準(zhǔn)這些來自電路板的磁場干擾，主要的工作就是通過計算將γ求出。
4.1 平面校準(zhǔn)方法
針對XY軸的校準(zhǔn)，將配備有磁傳感器的設(shè)備在XY平面內(nèi)自轉(zhuǎn)，如圖11，等價于將地球磁場矢量繞著過點O(γx,γy)垂直于XY平面的法線旋轉(zhuǎn)， 而紅色的圓為磁場矢量在旋轉(zhuǎn)過程中在XY平面內(nèi)投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為((Xmax + Xmin)/2, (Ymax + Ymin)/2). 同樣將設(shè)備在XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)可以得到地球磁場在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場干擾矢量γ(γx, γy, γz).
4.2 立體8字校準(zhǔn)方法
一般情況下，當(dāng)帶有傳感器的設(shè)備在空中各個方向旋轉(zhuǎn)時，測量值組成的空間幾何結(jié)構(gòu)實際上是一個圓球，所有的采樣點都落在這個球的表面上，如圖13所示，這一點同兩維平面內(nèi)投影得到的圓類似。
圖13 地球磁場空間旋轉(zhuǎn)后在傳感器空間坐標(biāo)內(nèi)得到球體
這種情況下，可以通過足夠的樣本點求出圓心O(γx, γy, γz), 即固定磁場干擾矢量的大小及方向。公式如下：
8字校準(zhǔn)法要求用戶使用需要校準(zhǔn)的設(shè)備在空中做8字晃動，原則上盡量多的讓設(shè)備法線方向指向空間的所有8個象限，如圖14所示。
圖14 設(shè)備的空中8字校準(zhǔn)示意圖
4.2 十面校準(zhǔn)方法
同樣，通過以下10面校準(zhǔn)方法，也可以達(dá)到校準(zhǔn)的目的。
圖15 10面交準(zhǔn)法步驟
如圖16所示，經(jīng)過10面校準(zhǔn)方法之后，同樣可以采樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導(dǎo)出球心的位置，即固定磁場干擾矢量的大小及方向。
圖16 10面校準(zhǔn)后的空間軌跡
5．傾斜補償及航偏角計算
經(jīng)過校準(zhǔn)后電子指南針在水平面上已經(jīng)可以正常使用了。但是更多的時候手機(jī)并不是保持水平的，通常它和水平面都有一個夾角。這個夾角會影響航向角的精度，需要通過加速度傳感器進(jìn)行傾斜補償。
對于一個物體在空中的姿態(tài)，導(dǎo)航系統(tǒng)里早已有定義，如圖17所示，Android中也采用了這個定義。Pitch(Φ)定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向；Roll(θ)定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向。由Pitch角引起的航向角的誤差如圖18所示?？梢钥闯?，在x軸方向10度的傾斜角就可以引起航向角最大7-8度的誤差。
圖17 Pitch角和Roll角定義 圖18 Pitch角引起的航向角誤差
手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)如圖19所示，通過3軸加速度傳感器檢測出三個軸上重力加速度的分量，再通過式2可以計算出Pitch和Roll。
圖19 手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)
式3可以將磁力計測得的三軸數(shù)據(jù)（XM，YM ，ZM）通過Pitch和Roll轉(zhuǎn)化為式1中計算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1計算出航向角。
6．Android平臺指南針的實現(xiàn)
在當(dāng)前流行的android 手機(jī)中，很多都配備有指南針的功能。為了實現(xiàn)這一功能，只需要配備有ST提供的二合一傳感模塊LSM303DLH，ST 提供整套解決方案。Android中的軟件實現(xiàn)可以由以下框圖表示：
其中包括:
BSP Reference
Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)
HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so
經(jīng)過library 的計算，上層的應(yīng)用可以很輕松的運用由Android定義由Library提供的航偏角信息進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫。
磁力傳感器原理：自制磁力傳感器詳細(xì)步驟
今天我們來自制一個磁力傳感器。
實驗用品： 塑料盒 導(dǎo)線 鐵絲 銅線 橡皮筋 燈泡
把銅漆包線中間的漆刮掉六厘米,沒有銅漆包線可用其它絕緣銅線代替,同樣要去掉中間的絕緣層.把刮掉絕緣層的銅線折成長一厘米的梳齒狀。在塑料盒的一邊兩角中間的位置鉆兩個孔。把折好的漆包線穿入鉆好的孔中使梳齒在中心位置，線的兩端在盒子上固定好。
把鐵絲折成8字形。用兩根橡皮筋分別穿進(jìn)8字的兩端，把8字兩端的口封好。把橡皮筋穿進(jìn)塑料盒兩端第一個縫隙中，使8字形鐵絲與梳齒狀銅線對應(yīng)，固定好橡皮筋，把軟的銅線接到8字形的鐵絲上，固定好軟銅線。
用磁鐵在盒外靠近8字鐵絲，鐵絲在磁鐵的吸引下與梳齒狀銅線接觸。磁鐵離開，鐵絲與銅線分開，磁鐵再靠近它們又接觸，磁鐵離開它們又分開。
鐵絲就是傳感器的動觸點，梳齒狀銅線就是傳感器的靜觸點。
把盒外銅漆包線線頭上的漆刮掉，接上一段軟銅線 。磁力接近傳感器就制作成功了。
把傳感器的動觸點端接在蓄電池的正極，靜觸點端與蓄電池負(fù)極間接上小燈泡。把磁鐵在盒外接近觸點，動觸點在磁鐵吸引下與靜觸點接觸。小燈炮發(fā)光。磁鐵離開，動靜觸點分離，小燈炮熄滅。
把磁鐵反復(fù)接近離開觸點，小燈炮反復(fù)發(fā)光熄滅。
這個傳感器就相當(dāng)于一個磁鐵啟動的開關(guān)，我們也可稱它為磁力開關(guān)。
把小燈泡換成個大一點的燈泡。當(dāng)磁鐵接近觸點，燈泡發(fā)關(guān)。磁鐵遠(yuǎn)離，燈炮熄滅。反復(fù)到第三次時動觸點不能分離，燈炮不熄滅。
這個磁力傳感器在小電流時能正常工作，電流大一點就不能正常工作。
所有的傳感器都是在小電流下工作的，要用傳感器控制大電流的電器就要用到繼電器。
